第03章 关系数据库.ppt

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1、第3章 关系数据库 关系数据库系统概述关系数据库系统概述关系数据模型关系数据模型 关系模型的完整性约束关系模型的完整性约束 关系代数关系代数 关系数据库系统的三层模式结构关系数据库系统的三层模式结构 本演示文稿可能包含观众讨论和即本演示文稿可能包含观众讨论和即席反应。使用席反应。使用 PowerPoint 可以可以跟踪演示时的即席反应，跟踪演示时的即席反应，在幻灯片放映中，右键单击鼠标在幻灯片放映中，右键单击鼠标请选择请选择“会议记录会议记录”选择选择“即席反应即席反应”选项卡选项卡必要时输入即席反应必要时输入即席反应单击单击“确定确定”撤消此框撤消此框此动作将自动在演示文稿末尾创建此动作将自

2、动在演示文稿末尾创建一张即席反应幻灯片，包括您的一张即席反应幻灯片，包括您的观点。观点。关系数据库系统概述l关系数据库的关系数据库的发展发展CODASYLCODASYL于于19621962年发表的年发表的“信息代数信息代数”一文一文 E.F.CoddE.F.Codd从从19701970年起发表了一系列的论文年起发表了一系列的论文2020世纪世纪7070年代末的实验系统年代末的实验系统System R和和Ingres 从从2020世纪世纪80 0年代逐步走向成熟年代逐步走向成熟l关系数据模型关系数据模型概述概述 关系数据结构关系数据结构关系操作集合关系操作集合关系完整性约束关系完整性约束 关系数

3、据关系数据结构结构 关系数据结构非常简单，在关系数据模型关系数据结构非常简单，在关系数据模型中，现实世界中的中，现实世界中的实体及实体与实体之间实体及实体与实体之间的联的联系均用系均用关系关系来表示。从逻辑或用户的观点来看，来表示。从逻辑或用户的观点来看，关系就是二维表关系就是二维表。关系操作集合关系操作集合l传统的集合传统的集合运算运算 并（并（UnionUnion）交（交（IntersectionIntersection）差（差（DifferenceDifference）广义笛卡尔积广义笛卡尔积（Extended Cartesian ProductExtended Cartesian Pr

4、oduct）l专门的关系专门的关系运算运算选择（选择（Select）投影投影（Project）连接连接（Join）除除（Divide）l有关的数据操作有关的数据操作（主要的数据操作）（主要的数据操作）查询（查询（QueryQuery）插入（插入（InsertInsert）删除（删除（DeleteDelete）修改（修改（UpdateUpdate）l关系是以关系是以集合的方式集合的方式操作的，即操作的对象是操作的，即操作的对象是元组的集合元组的集合，操作，操作的结果也是的结果也是元组的集合元组的集合。这和非关系模型的操作结果是。这和非关系模型的操作结果是一条记录一条记录有着重要区别。有着重要区别

5、。l关系的操作能力可以用关系的操作能力可以用代数方式代数方式和和逻辑方式逻辑方式来表示来表示:代数方式是通过代数方式是通过关系代数关系代数对关系的运算对关系的运算来表达来表达查询查询要求的方式。要求的方式。逻辑方式是通过逻辑方式是通过关系演算关系演算、用、用谓词表达谓词表达对关系的对关系的查询查询要求的方式。要求的方式。现在关系数据库已经有了标准语言现在关系数据库已经有了标准语言SQL（Structured Query Language），），它是一种它是一种介于关系代数和关系演算的语言介于关系代数和关系演算的语言。l综上所述，又可以把关系数据语言分为三类：综上所述，又可以把关系数据语言分为三

6、类：关系代数语言关系代数语言、关关系演算语言系演算语言以及具有关系代数和关系演算双重特点的以及具有关系代数和关系演算双重特点的SQLSQL语言语言。关系完整性约束 l在数据库中数据完整性是指在数据库中数据完整性是指保证数据正确的特性保证数据正确的特性。它包括两方面的内容：它包括两方面的内容：与现实世界中应用需求的数据的与现实世界中应用需求的数据的相容性相容性和和正确性正确性；数据库内数据之间数据库内数据之间的相容性和正确性。的相容性和正确性。l在关系数据模型中一般将数据完整性分为三类在关系数据模型中一般将数据完整性分为三类 实体完整性实体完整性参照完整性参照完整性用户定义完整性用户定义完整性

7、关系数据模型-详细分析 l关系模型的数据结构和基本术语关系模型的数据结构和基本术语 l关系的形式定义关系的形式定义 l对关系的限定（关系的性质）对关系的限定（关系的性质）关系模型的基本术语 参照关系和被参照关系：参照关系和被参照关系：在关系数据库中可以通过外部关键字使两个关系关联，这种联系通常是一对多（1:n）的，其中主（父）关系（1方）称为被参照关系，从（子）关系（n方）被称为参照关系。关系属性值域元组分量关系模式关系模型关系数据库候选关键字主关键字主属性非主属性外部关键字关系的形式定义笛卡儿积定义：设D1，D2，Dn为任意集合，定义D1，D2，Dn的笛卡儿积为：其中每一个元素（d1，d2，

8、dn）叫作一个n元组，简称元组，元组中每一个di叫作元组的一个分量。关系的形式定义：笛卡儿积D1D2 Dn的任意一个子集称为D1,D2,Dn上的一个n元关系。需要说明两点l关关系系是是元元组组的的集集合合，集集合合（关关系系）中中的的元元素素（元元组组）是是无无序序的的；而而元元组组不不是是分分量量di的的集集合合，元组中的分量是有序的元组中的分量是有序的。例例如如，在在关关系系中中(a,b)(b,a)，但但在在集集合合中中a,b=b,a。l若若一一个个关关系系的的元元组组个个数数是是无无限限的的，则则该该关关系系称称为为无无限限关关系系，否否则则称称为为有有限限关关系系；在在数数据据库库中中

9、只考虑有限关系。只考虑有限关系。关系的性质l每一分量必须是不可分的最小数据项，即每个属性都是不可再分解的，这是关系数据库对关系的最基本的限定。l列的个数和每列的数据类型是固定的，即每一列中的分量是同类型的数据，来自同一个值域。l不同的列可以出自同一个值域，每一列称为属性，每个属性要给予不同的属性名。l列的顺序是无关紧要的，即列的次序可以任意交换，但一定是整体交换，属性名和属性值必须作为整列同时交换。l行的顺序是无关紧要的，即行的次序可以任意交换。l元组不可以重复，即在一个关系中任意两个元组不能完全一样。关系模型的完整性约束 l实体完整性规则实体完整性规则l参照完整性规则参照完整性规则l用户定义

10、完整性用户定义完整性l完整性约束的作用完整性约束的作用 实体完整性规则 l实体完整性是要保证关系中的每个元组都是可识别和唯一的。l实体完整性规则的具体内容是：若属性A是关系R的主属性，则属性A不可以为空值。l实体完整性是：关系模型必须满足的完整性约束条件，也称作是关系的不变性。l关系数据库管理系统可以用主关键字实现实体完整性，这是由关系系统自动支持的。对实体完整性规则的几点说明l实体完整性规则是针对关系而言的，而关系则对应一个现实世界中的实体集。例如，仓库关系对应现实世界中的仓库实体集。l现实世界中的实体是可区分的，它们具有某种标识特征；相应地，关系中的元组也是可区分的，在关系中用主关键字做唯

11、一性标识。l主关键字中的属性、即主属性不能取空值。如果主属性取空值，则意味着关系中的某个元组是不可标识的，即存在不可区分的实体，这与实体的定义也是矛盾的。参照完整性规则l现实世界中的实体间存在着某种联系，而在关系模型中实体是用关系描述的、实体之间的联系也是用关系描述的，这样就自然存在着关系和关系之间的参照或引用。l参照完整性也是关系模型必须满足的完整性约束条件，是关系的另一个不变性。l通过一个例子来说明什么是参照完整性 参照关系和被参照关系的定义 设F是关系R的一个属性或属性组，但不是关系R的关键字，另外有主关键字为K的关系S。如果关系R的属性或属性组F与关系S的主关键字K相对应，则称F是关系

12、R的外部关键字，并称关系R是参照关系、S是被参照关系（或目标关系）。关系R和S可以是同一个关系。参照完整性规则 如果属性（或属性组）F是关系R的外部关键字，它与关系S的主关键字K相对应，则对于关系R中每个元组在属性（或属性组）F上的值必须为：或者取空值（F的每个属性均为空值）；或者等于S中某个元组的主关键字的值。在关系系统中通过说明外部关键字来实现参照完整性 而说明外部关键字是通过说明引用的主关键字来实现的，也即通过说明外部关键字，关系系统则可以自动支持关系的参照完整性。用户定义完整性 l一种与应用密切相关的数据完整性约束，如某个属性的值必须唯一 某个属性的取值必须在某个范围内 某些属性值之间

13、应该满足一定的函数关系等 l类似以上的约束不是关系数据模型本身所要求的，而是为了满足应用方面的语义要求而提出的l在用户定义完整性中最常见的是限定属性的取值范围，即对值域的约束，所以在用户定义完整性中最常见的是域完整性约束。完整性约束的作用 l执行插入操作时检查完整性 执行插入操作时需要分别检查实体完整性规则、参照完整性规则和用户定义完整性规则。l执行删除操作时检查完整性 执行删除操作时一般只需要检查参照完整性规则。l执行更新操作时检查完整性 执行更新操作可以看作是先删除旧的元组，然后再插入新的元组。所以执行更新操作时的完整性检查综合了上述两种情况。关系代数l基本概念和符号基本概念和符号l传统的

14、集合运算传统的集合运算l专门的关系运算专门的关系运算l基本运算及变换基本运算及变换 关系代数的基本概念l关系代数的运算关系代数的运算对象对象是关系。是关系。l关系代数的运算关系代数的运算结果结果也是关系。也是关系。l与一般的运算一样，与一般的运算一样，运算对象运算对象、运算符运算符和和运算结果运算结果也是关系代数的三个要素。也是关系代数的三个要素。l关系代数的运算可以分为两大类关系代数的运算可以分为两大类 传统的集合运算传统的集合运算 专门的关系运算专门的关系运算 几个概念和专门的符号l元组的分量元组的分量l元组的连串元组的连串l元组中属性的映像集元组中属性的映像集元组的分量l设有关系模式设有

15、关系模式R(A1，A2，An)rR表示表示r是是R的一个的一个元组元组 r.Ai或或rAi表示表示r这个元组中相应于属性这个元组中相应于属性Ai的一个的一个分量分量 l例如，假设例如，假设R是仓库关系，是仓库关系，r=（WH1,北京北京,370）是仓库关系的一）是仓库关系的一个元组，则个元组，则rR，r.仓库号仓库号或或r仓库号仓库号为为WH1。元组的连串 设设R为为m元元关系，关系，S为为n元元关系，并且关系，并且 r=(r1,r2,rm)R s=(s1,s2,sn)S则则 称为元组的连串。称为元组的连串。这是一个（这是一个（m+n）元组，元组，前前m个分量为个分量为R中中的一个的一个m元组

16、元组，后后n个分量为个分量为S中的一个中的一个n元元组。组。元组中属性的映像集l设有关系模式设有关系模式R(X,Y)，其中其中X、Y可以可以是是单个属性单个属性，也可以是，也可以是属性集属性集，定义当，定义当X取值为取值为x时，时，x在在R中的中的映象集映象集为：为：l设有如右上表所示的订购单关系，把它命名为R，并且进一步设X为属性职工号，Y为属性集供应商号，订购单号，订购日期，则当X取值为E3时 （S7，OR67，2002/06/23），（S4，OR79，2002/07/29），（S6，OR90，2002/07/13），（S3，OR91，2002/10/27）Yx=传统的集合运算l集合的并运

17、算集合的并运算l集合的交运算集合的交运算l集合的集合的差差运算运算l集合的广义笛卡尔积运算集合的广义笛卡尔积运算集合的并、交、差运算示意集合的广义笛卡尔积运算 设设R和和S是两个关系，如果是两个关系，如果R是是m元关系、元关系、有有k个元组，个元组，S是是n元关系、有元关系、有l个元组，个元组，则广义笛卡尔积则广义笛卡尔积RS是一个是一个m+n元关元关系系、有、有kl个元组个元组。广义笛卡儿积可以。广义笛卡儿积可以记作：记作：专门的关系运算l选择运算选择运算(Select)l投影运算投影运算(Project)l连接运算连接运算(Join)l除运算除运算(Division)选择运算 选择运算是从

18、指定的关系中选择某些元组形成一个新的关系，被选择的元组是用满足某个逻辑条件来指定的。选择运算表示为：其中R是关系名，是选择运算符，F是逻辑表达式。选择运算举例：职工号=E3(订购单)订购单关系 从订购单关系中选择职工号为“E3”的元组构成新的关系投影运算1)选选择择指指定定的的属属性性，形形成成一一个个可可能能含含有重复行的表格；有重复行的表格；2)删除重复行删除重复行，形成新的关系。，形成新的关系。投影运算对指定的关系进行投影操作，根据该关系分两步产生一个新关系：投影运算表示为 其中R是关系名，是投影运算符，A是被投影的属性或属性集。投影运算举例：订购单关系 选取职工号和供应商号两列构成新的

19、关系职工号，供应商号(订购单)选择和投影运算举例：从订购单关系中，选取出职工号为E3的所经手的订购单号和与之相关的供应商号。订购单关系供应商号，订购单号(职工号=E3(订购单)连接运算 连接运算是两个表之间的运算，这两个表通常是具有一对多联系的父子关系。所以连接过程一般是由参照关系的外部关键字和被参照关系的主关键字来控制的，这样的属性通常也称为连接属性。连接运算的概念l连接运算是连接运算是将满足两个表之间运算关系的记将满足两个表之间运算关系的记录连接成一条记录录连接成一条记录，所有这样的记录构成新，所有这样的记录构成新的表（连接运算的结果）。的表（连接运算的结果）。l连接运算可以表示为：连接运

20、算可以表示为：这里Ai是R中的属性，Bj是S中的属性，是关系（比较）运算符，连接的结果是一个广义笛卡儿乘积的子集，其中的元组满足Ai和Bj间的关系。当为“=”时，称为等值连接；为“”时，称为大于连接等等。自然连接 l在连接运算中最常用的连接是自然连接。在连接运算中最常用的连接是自然连接。l自然连接运算一般表示为自然连接运算一般表示为：其中其中Ai和和Bj要出自同一个值域，并且在实际应用中这两个属性要出自同一个值域，并且在实际应用中这两个属性往往具有往往具有相同的属性名相同的属性名。自然连接做了三件事：l计算计算广义笛卡尔积广义笛卡尔积RS；l选择满足条件选择满足条件rAi=sBj的所有元组；的

21、所有元组；l去掉重复的去掉重复的属性属性。自然连接的例子注意：l为了使一个关系中的任一元组都参加自为了使一个关系中的任一元组都参加自然连接，该元组的然连接，该元组的连接属性（字段）值连接属性（字段）值必须出现在另一个参加连接的关系中必须出现在另一个参加连接的关系中;l连接陷阱问题连接陷阱问题;l一般一般在实际应用中可以父无子，而不可在实际应用中可以父无子，而不可以子无父，否则将破坏参照数据完整性。以子无父，否则将破坏参照数据完整性。综合运算实例 根据以上关系求出在上海工作的职工的工资值都有哪些?仓库职工关系代数语句为：关系代数语句为：查询过程示意选择运算选择运算自然连接运算自然连接运算投影投影

22、运算运算注意 自然连接和等值连接很相象，但它们不同，自然连接要去掉重复的属性，而等值连接却不需要去掉重复的属性。除除运算运算 设有关系R(X,Y)和S(Y)，其中X、Y可以是单个属性或属性集，则除法运算定义为：理解除法运算lR（X，Y）是被除关系是被除关系lS（Y）是除关系是除关系l商关系由商关系由R中某些中某些X属性值构成，其中的任属性值构成，其中的任一一X值所对应的一组值所对应的一组Y值都包含除关系值都包含除关系S。l除运算常用于至少除运算常用于至少查询或运算查询或运算除运算的例子l它的含义是：至少向它的含义是：至少向WH1、WH3、WH5供供货的供应商号。货的供应商号。基本运算及变换 在

23、关系代数运算中集合的并运算、差运算、笛卡尔积运算以及选择运算和投影运算是5种基本运算，另三种运算（集合的交运算以及连接运算和除运算）可以用5种基本运算来表达，引进它们并不增加语言的能力，但是可以简化表达。两个关系的交运算可以表示为 R S=R-(R-S)两个关系的自然连接运算可以表示为两个关系的连接运算可以表示为两个关系的除运算可以表示为关系数据库系统的三层模式结构 关系数据库系统也是三层模式的数据库系统，同样可以划分为存储模式、概念模式和外部模式三个层次。关系概念模式 l关系概念模式主要包括对出现在关系数据库中的每个基本表的说明及其基本表之间联系的说明，它包括对关系名、属性名、属性的类型的说

24、明，以及主关键字的说明（实体完整性）、外部关键字的说明（参照完整性及表之间的关联）和属性的取值范围与约束条件的说明（用户定义完整性）等。l在SQL语句中定义基本表的命令是CREATE TABLE，它可以完成定义概念模式需要的所有功能，即在该命令中包括对关系名、属性名、属性类型的说明，也可以说明主关键字、外部关键字和属性的取值范围与约束条件等。修改基本表定义的命令是ALTER TABLE命令。关系存储模式 l每个基本表逻辑上都对应于存储文件（磁盘上的物理文件），不同的数据库管理系统可能对存储文件的管理方法是不一样的，可能一个基本表对应一个存储文件（如FoxPro）；但对大多数大型数据库管理系统，

25、一个存储文件可以存放多个基本表，一个基本表的数据也可能分别存放在多个存储文件上。l存存储储文文件件的的逻逻辑辑结结构构组组成成了了关关系系数数据据库库的的存存储储模模式式，但是用户无需了解存储文件的物理结构，它对用户是透明的。即关系数据库的存储模式几乎不需要用户说明，关系数据库管理系统可以自动完成对基本表的存储。l对用户来说，在关系数据库中与存储模式有关的说明只有索引的说明，索引是为基本表建立，即在基本表上可以建立索引。一般可以将索引分为普通索引、唯一索引和聚集索引三类。关系外部模式 l在关系数据库中，外外部部文文件件被被称称作作视视图图（View），即可以根据基本表定义视图。所谓视图是指从一

26、个或几个基本表导出的表，视图是一个虚拟的表，它本身并不真正包含数据，在数据库中存储的是视图的定义。l用户看到的可以是视图，也可以是基本表。基本表和视图都是关系、都是表，它们在概念上是等同的，用户可以在其上进行查询等各种操作、可以在视图上再定义视图。l因此，关系外部模式由视图和部分基本表构成。【本章小节】l关系模型的相关概念和术语关系模型的相关概念和术语l关系模型的三个要素是：关系数据结构、关系模型的三个要素是：关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束关系操作集合和关系完整性约束l关系数据模型的完整性约束及其作用关系数据模型的完整性约束及其作用l关系代数关系代数:传统的集合运算和专门的关传统的集合运算和专门的关系运算系运算l关系数据库系统的三层模式结构关系数据库系统的三层模式结构